[논문 리뷰] FogROS G: Enabling Secure, Connected and Mobile Fog Robotics with Global Addressability

Kaiyuan Chen, Jiachen Yuan외 4명|arXiv (Cornell University)|2022. 10. 21.

IoT and Edge/Fog Computing인용 수 5

한 줄 요약

FogROS G는 IP나 네트워크 위치와 무관한 256비트 글로벌 고유 이름을 각 ROS 노드에 할당하여 안전하고 이동 가능한, 글로벌 주소 지정이 가능한 퍼그 로봇을 가능하게 한다. 이는 방화벽과 관리 도메인을 넘어 메시지를 종단 간으로 라우팅하는 보안성 있는 페어 투 페어 글로벌 데이터 평면(GDP) 인fra를 사용하며, 평균적으로 추가 지연 시간이 0.014초에 불과한 최소한의 성능 오버헤드를 제공한다. 또한 암호화된 이름 지정과 라우팅을 통해 인증 및 기밀 보장을 보장한다.

ABSTRACT

Fog Robotics renders networked robots with greater mobility, on-demand compute capabilities and better energy efficiency by offloading heavy robotics workloads to nearby Edge and distant Cloud data centers. However, as the de-facto standard for implementing fog robotics applications, Robot Operating System (ROS) and its successor ROS2 fail to provide fog robots with a mobile-friendly and secure communication infrastructure. In this work, we present FogROS G, a secure routing framework that connects robotics software components from different physical locations, networks, Data Distribution Service (DDS) and ROS distributions. FogROS G indexes networked robots with globally unique 256-bit names that remains constant even if the robot roams between multiple administrative network domains. FogROS G leverages Global Data Plane, a global and secure peer-to-peer routing infrastructure between the names, guaranteeing that only authenticated party can send to or receive from the robot. FogROS G adopts a proxy-based design that connect nodes from ROS1 and ROS2 with mainstream DDS vendors; this can be done without any changes to the application code.

연구 동기 및 목표

• 퍼그 로봇 응용 프로그램을 위한 ROS 및 ROS2에서의 안전하고 위치에 관계없는 통신 부족을 해결한다.
• 이동 가능한 로봇이 네트워크 도메인 경계를 넘어서거나 방화벽 뒤에서도 지속적인 ROS 연결을 유지할 수 있도록 한다.
• 응용 프로그램 코드를 수정하지 않고도 암호화된 이름 지정과 인증된 라우팅을 통해 종단 간 보안을 보장한다.
• 응용 프로그램 코드를 수정하지 않고도 ROS1과의 호환성과 다양한 DDS 벤더 간 상호 운용성을 확보한다.
• 이질적인 네트워크와 클라우드-에지 인fra에서 ROS1과 ROS2 노드 간의 원활한 연결을 지원한다.

제안 방법

• 각 ROS 노드에 메타데이터(예: 이름, 저자, 기능)에서 유도된 256비트 글로벌 고유 이름을 할당하여 고유성과 추측에 대한 저항성을 확보한다.
• 관리 도메인을 넘어 256비트 이름 기반으로 메시지를 라우팅하는 보안성 있는 페어 투 페어 라우팅 인fra인 글로벌 데이터 평면(GDP)을 활용한다.
• ROS/DDS 메시지를 레이어 2 GDP 패킷으로 변환하는 프oxy 기반 아키텍처를 구현하여 ROS1, ROS2 및 주류 DDS 구현 간의 상호 운용성을 보장한다.
• 라우팅 스위치(RIB)에서 해시와 자격 증명을 사용한 암호화 검증을 통해 이름 광고의 신원을 확인하고 위조를 방지한다.
• 계층적 RIB(Routing Information Base) 시스템을 통해 최단 경로 라우팅을 구현하여 다중 홉 경로에서 낮은 지연 시간의 메시지 전달을 보장한다.
• 고정 길이 레이어 2 페이로드(예: 1500바이트)를 처리하기 위해 프oxy 레이어에서 패킷 재구성 및 순서 정렬을 구현하여 메시지 무결성을 확보한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 정적 IP 주소나 네트워크 특정 설정에 의존하지 않고 ROS 노드를 글로벌 주소 지정 가능하고 이동 가능한 상태로 만들 수 있는가?
• RQ2 방화벽과 이질적인 네트워크를 넘어 ROS 노드 간 종단 간 통신을 가능하게 하는 보안성 있는 페어 투 페어 라우팅 인프라를 구축할 수 있는가?
• RQ3 ROS 기반의 퍼그 로봇 시스템에 글로벌 주소 지정과 강력한 보안을 추가했을 때의 성능 오버헤드는 얼마인가?
• RQ4 응용 프로그램 코드를 수정하지 않고도 ROS1과의 호환성과 다양한 DDS 벤더 간 상호 운용성을 달성할 수 있는가?
• RQ5 GDP 라우팅이 메시지 영구 저장 및 애너캐스트 스타일의 서비스 탐색과 같은 고급 기능을 로봇 워크로드에서 지원할 수 있는가?

주요 결과

• FogROS G는 CycloneDDS를 사용하는 표준 ROS2와 비교해 평균적으로 추가 지연 시간이 0.014초에 불과하여 최소한의 성능 오버헤드를 입증한다.
• vSLAM에 대해 종단 간 지연 시간이 1.4초, 운동 계획에 대해 4.3초, 그립 계획에 대해 0.6초를 기록하며, 추가된 보안 및 라우팅 계층에도 불구하고 수용 가능한 범위 내에 있다.
• 모든 평가된 응용 프로그램에서 네트워크 지연 오버헤드는 극히 미미한 편(0.010~0.089초)이며, 총 지연 시간은 통신보다 계산 시간에 의해 주로 결정된다.
• 프록시 기반 설계는 응용 프로그램 코드 변경 없이 ROS1과 ROS2 노드 간의 원활한 통신을 성공적으로 구현하여 ROS 간 및 DDS 간 상호 운용성을 지원한다.
• 각 RIB에서의 암호화 검증을 통해 오직 인증된 당사자만이 ROS 노드를 광고하거나 액세스할 수 있도록 보장하여 위조 및 무단 접근을 방지한다.
• IP 주소가 변경되거나 방화벽이 직접 액세스를 차단하는 상황에서도 네트워크 도메인 변경(예: 기업 네트워크에서 대학 네트워크로) 동안에도 지속적인 ROS 연결을 유지한다.